[发明专利]一种H型二维超精密工作台结构

说明书

技术领域

本发明与超精密定位技术和装置有关，属于精密测量、超精密加工、微 型机械和纳米技术等技术领域。

背景技术

超精密工作台是精密测量、超精密加工、微型装配、半导体光刻和纳米 技术的基础。二维精密工作台的定位精度不仅与导轨精度有关，也与在两个 维度上的结构关系有关。H型二维精密工作台因其结构紧凑，定位精度较高而 得到广泛应用。现有的H型二维精密工作台，其结构原理如图1a和图1b所 示。图1a和图1b中：1为基座，2为Y轴驱动装置，3为Y轴导轨，4为Y 轴滑块，5为Y轴位置测量元件，6为X轴位置测量元件，7为X轴滑块，8 为X轴驱动装置，9为X轴导轨。

图1a和图1b中Y轴驱动装置2驱动Y轴滑块4沿Y轴导轨3运动，与Y轴滑块4 固联的X轴导轨9与Y轴滑块4同时在Y轴上以相同方向、相同速度运动，并带动 X轴导轨9上的X轴滑块7沿Y轴运动；X轴驱动装置8驱动X轴滑块7沿着X轴导轨9 在X轴上运动；Y轴位置测量元件5(例如长光栅、激光干涉仪或其他精密测长 传感器等)测量Y轴滑块4的位置，X轴位置测量元件6(例如长光栅、激光干 涉仪或其他精密测长传感器等)测量X轴滑块7的位置。

H型二维超精密工作台的导轨分为闭式导轨和开式导轨。闭式导轨的导向 原理如图2a和图2b所示，开式导轨的导向原理如图3a和图3b所示。图2a和图 2b中：10为滑块，11为导轨，12为导轨垫，箭头所指为压缩气体气流方向； 图3a和图3b中：13为滑块，14为导轨，15为基座，16为磁极对，箭头所指为 压缩气体气流方向。

图2a和图2b所示的导向原理普遍用于现有的H型二维工作台的X轴导向， 也部分用于现有的H型二维工作台的Y轴导向。导轨11通过导轨垫12固定在基 座上，滑块10气浮于导轨11上，滑块10的重量由导轨11承载。相应的，承载 物的重量通过滑块10由导轨11承载。导轨11在其自身、滑块和承载物等的重 力作用下，会产生弯曲变形，限制其导向精度；当滑块10所处位置不同时导 轨11的变形不同，限制导轨的精度保持性。基于图2a和图2b所示的导向原理 的H型二维工作台，随着滑块所处的位置的变化，在X方向和Y方向上的精度变 化趋势复杂，限制了X轴导轨和Y轴导轨之间的角度精度，且加大了系统的精 度补偿难度，限制了二维工作台的定位精度。

图3a和图3b所示的导向原理用于H型二维工作台的Y轴导向。导轨14的下 表面直接固定在基座15上，滑块13气浮于导轨14上，极性相反的磁极对16形 成吸引力。滑块13不是封闭结构。这种非封闭的滑块结构刚度差，易变形， 限制了导向精度。基于图3a和图3b的导向原理的H型二维工作台，Y轴滑块的 变形限制了X轴导轨与Y轴导轨之间的角度精度，也限制了H型二维工作台的定 位精度。

基于上述原理的现有H型二维工作台实质是上下迭合的结构，X轴定位精 度不但受X轴导轨导向精度、滑块刚度、导轨精度保持性等因素的影响，还受 Y轴定位精度的影响；而X轴上的滑块重量和承载物重量都由Y轴滑块承担，致 使Y轴滑块或导轨变形，影响Y轴的定位精度；X轴和Y轴定位精度相互影响， 限制了二维工作台的定位精度。因此，研究一种超精密工作台结构，其定位 精度不受导轨重量、滑块重量和承载物重量影响，X轴和Y轴定位精度互不影 响，系统刚度高，精度保持性好，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，通过提供定位精度不受导轨重量、滑块重量和承载 物重量影响的超精密工作台结构原理，设计一种X轴和Y轴定位精度互不影 响，系统刚度高，精度保持性好的二维超精密工作台结构。

就工作台的结构原理而言，它是在真空负压的气体静压超精密导轨技术 基础上，X轴和Y轴的滑块都直接气浮于同一个基座上表面，并利用X轴和Y 轴滑块的真空负压设计限制其沿Z轴的移动和绕X轴和Y轴的转动。X轴为封 闭式气体静压导轨，限制其沿Y轴的移动和绕X轴和Z轴的转动；Y轴为封闭 式气体静压导轨，限制其沿X轴的移动和绕Y轴和Z轴的转动。两条平行的Y 轴导轨和滑块实质是延长了滑块的长度，加大了误差的均化作用，提高了导 轨的导向精度和二维工作台的稳定性。H型结构使得X轴导轨固定在两条平行 的Y轴滑块上，维持X轴和Y轴的角度精度。这种结构避免了滑块重量和承 载物重量导致导轨变形影响各轴定位精度；X轴和Y轴定位精度互不影响，避 免了误差叠加效应；系统刚度高，精度保持性好。